Экспериментальные методы исследования плазмы. Часть 2.
Лекция 2.
Методы скоростной регистрации оптических сигналов.
И.А.Иванов - 2012
Высокоскоростная съёмка
*Кадровая съемка (двумерные изображения)
-современные полупроводниковые матрицы
-механический затвор
-импульсное освещение объекта
-оптический затвор - развертка зеркалом
-затворы Керра, Поккельса, Фарадея
-оптические линии задержки
-ЭОП, ПЗС-матрицы
*Щелевая развертка (изображение координата-время)
-современные полупроводниковые матрицы
-перемещение пленки
-зеркальная развертка
-диссекторы
-развертка в ЭОП
Камеры с движущейся пленкой
Обычного типа - до 100 кадров/с, специальные - до 600 кадров/с Камеры с пленкой на вращающемся барабане:
-пленка снаружи: v < 100 м/с, t ~ 10-7 c для щели 10 мкм
-пленка внутри: v < 300 м/с, t ~ 3·10-8 c для щели 10 мкм
Скоростные цифровые камеры
* Однокадровые системы
ПЗС матрицы с возможностью межстрочного переноса (interline transfer) – до неск. мкс кадр
* Быстрое кино
ПЗС и КМОП матрицы в стандартном режиме – частота кадров до ~1 кГц- КМОП в режиме бинирования или частичной выборки – до ~100 кГц, кадр типа 32х32-
ПЗС с аналоговой памятью в ПЗС структуре на каждую ячейку, до 3 МГц, ~100 кадров- Стоимость: 2-10 k$ однокадровые, 30-300 k$ многокадровые
:Пример быстрых камер
MotionXtra™ HG-100K фирмы Redlake |
Видеоспринт фирмы НПК ВИДЕОСКАН |
|
|
Оптические затворы
По назначению: - предохранительные (защита пленки до экспонирования)
-для отсечки (защита от повторного экспонирования)
-периодического действия
1. Электромеханические |
t ~ 10-2-10-4 с для щели ~0.1 мм |
|
~ 5 мс для отверстия с D=15 мм (+задержка ~5 мс) |
2. Электродинамические |
|
световой |
t ~ 1 мс для |
поток |
D~15 мм |
|
|
непрозрачный |
|
сектор |
|
рамка с током
3. Взрывные
Сжимающийся лайнер
D~25 мм, t ~30 мкс (V~800 м/с) Энергетика ~150 Дж (2 мкФ, 12 кВ)
Al фольга 30-300 мкм
Однократный
D= 15 мм за ~2 мс щель 0.03 мм за ~50 мкс
Взрыв линзы |
Испарение |
D~40 мм, |
зеркала |
t ~10 мкс |
током |
Vзвука~3 км/с |
t ~30 мкс |
детонаторы
Камеры с зеркальной развёрткой
Задача: зарегистрировать пролет быстрого объекта вдоль щели Скорость находится из угла
Наклона и скорости развертки Ширина щели ~0.1 мм Разрешение ~20 (3) нс Недостаток - маленькая светосила
Кадровая съемка с оптико-механической коммутацией изображения
Камера СФР (с 1946-48 гг.) Ограничение - скорость
вращения зеркала
Получение предельного быстродействия :
-многогранное зеркало из титана
-газовая турбина с гелиевым приводом
Параметры:
-до 10000 оборотов/с
-серия из ~80 кадров 10х10 мм
-до 2.5 млн кадров/с
-светосила 1:12
-разрешение ~20 лин/мм
Электро- и магнитооптические затворы
Затвор на ячейке Керра
|
|
l |
|
|
|
|
° |
i(kz t) |
|
|
|
|
|
E ~ e |
|
|
2 |
|
2 ni |
|
k l |
ki |
|
||||
i |
|
|||||
|
|
|
|
|||
2 (n1 n2 ) l 2
Эффект Керра
П- поляризатор
А- анализатор
(повернуты под 90 градусов)
С1= С2 - возникает разность фаз n - показатель преломления
- разность хода лучей 1 и 2
2 B( ,T )l E2
|
|
B( ) ~ |
n2 ( ) 1 |
1 |
постоянная Керра |
n( ) |
|
||
для 589 нм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вода |
2.4·10-7 ед.СГС |
|
||
нитробензол |
(200-500)·10-7 ед.СГС |
|
||
постоянная времени для жидкостей ~0.1 нс
Ячейка Керра - продолжение
ориентация Е |
L - поле волны после поляризатора |
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||
|
Е - электрическое поле в ячейке |
||||||||||||||||||
|
VLp ≠ |
VLn -> L будет вращаться *** |
|||||||||||||||||
|
L L sin 2 sin |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
L’ = 0 |
|
при = n /2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L’ = max при = n /2 + /4 |
|||||
Пропускание максимально при = 2 n, т.е. сдвиг на /2 и т.д. |
|||||||||||||||||||
Напряжение |
|
|
|
|
U 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
для 1-го открытого состояния - 2 Bl |
|
|
|
|
|
|
U0 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
d 2 |
|
|
|
|
|
2Bl |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Для естественной поляризации и = /4 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
sin |
2 |
|
1 |
sin |
2 |
|
U 2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||||||||||
|
|
0 |
|
2 |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 U0 |
|
|||||||||
U0 |
|
1 см |
|
|
|||
2 5 см 400 l0-7 |
|||
|
|
или 50 х 300 ~ 15 кВ время срабатывания - заряд емкости - 10-50 нс
Ячейка Керра – устройство образца
нитробензол |
исландский шпат |
U = 20 кВ - ячейка закрыта
Ячейка Поккельса
Продольное электрическое поле, угол поворота пропорционален полю Материал ячейки - кристалл KDP (KH2PO4)
ячейка Поккельса в резонаторе лазера
кристалл KDP |
|
|
||
|
|
|
U = 0 |
ячейка закрыта |
|
|
|
(луч возвращается по другому пути) |
|
|
|
|
U ~ 10 кВ ячейка открыта |
|
|
|
|
(луч возвращается назад) |
|
|
|
|
o - обыкновенная волна |
|
|
n2 |
n2 |
e - необыкновенная волна |
|
|
|
|
||
tg |
o |
e |
|
|
2n2 |
|
|
||
|
|
|
||
|
|
e |
|
|
Ячейка Фарадея
пропускание |
|
1 sin2 |
Hl |
|
0 |
||||
|
2 |
|
угол поворота пропорционален магнитному полю
Hl
- постоянная Верде, растет с уменьшением длины волны
для 589 нм |
кварц |
флинт |
вода |
CS 2 |
|
, угл.мин/(см Э) |
0.0145 |
0.074 |
0.013 |
0.042 |
|
|
|
|
|
||
|
для l o= 1 см и поля 100 кЭ |
25 = |
|
||
|
инерционность физическая |
~0.1 нс, реально ~100 нс |
|||